碳-氟键

碳－氟键是碳和氟间的极性共价单键，是所有有机氟化合物的组分。甚有离子键特征而相对较短，是很强的化学单键，仅次于硼－氟、硅－氟和氢－氟键。往化合物同一碳原子添加更多氟原子时，键会增强并缩短，因此四氟甲烷（四氟化碳）等氟代烷是极不活泼的有机化合物。

电负性和键强[编辑]

高电负的氟（氟：4.0，碳：2.5）赋予碳－氟键显著的极性／电偶极矩。电子云集中在氟周围，碳的电子云较稀疏。部分电荷（C^δ+—F^δ−）使碳－氟键颇像离子键。氟和碳的部分电荷有吸引力，碳－氟键强得别树一格。氟与碳形成“有机化学最强”的单键。^[1]碳－氟键的键解离能（BDE；键强度）可高达每摩13万卡，^[2]比其它碳－卤素和碳－氢键的高。甲基－某的碳－某键离解能分别为每摩104.9、115、83.7、72.1和57.6 kcal（某为氢、氟、氯、溴和碘）。^[3]

键长[编辑]

碳－氟键通常长约1.35埃（在氟甲烷为1.39埃），^[1]比其他碳－卤键、碳－氮单键和碳－氧单键都短。如此长短可归因于其离子特征，碳和氟的部分电荷间有静电引力。碳－氟键长取决于碳原子的混成及它或更远原子的其它取代基，可有几百分之一埃的变化。这些波动可作为微妙的混成变化和立体电子效应的迹象。下表显示平均键长在不同键合环境如何变化（碳原子是sp³混成，除非另外说明是sp²或芳族碳）。

键结	平均键长（埃）^[4]
CCH₂F、C₂CHF	1.399
C₃CF	1.428
C₂CF₂、H₂CF₂、CCHF₂	1.349
CCF₃	1.346
FCNO₂	1.320
FCCF	1.371
C_sp2F	1.340
C_arF	1.363
FC_arC_arF	1.340

氟和其他元素间的键亦甚有离子特征，键长稍短而多变，一直难以为氟选择合适的共价半径值。包令最初提出64pm，但该值最终以氟－氟键长一半的72pm取代，然而72pm过长，代表不到氟和其他元素间的键长，故此其他作者提议54至60pm。^[5]^[6]^[7]^[8]

偕键的键强度效应[编辑]

偕碳的氟原子增多，其他键变强变短，可由氟甲烷系列的键长和强度（BDE）变化看出，如下表所示；原子部分电荷（q_C和q_F）随氟数而变^[2]，加入氟时，碳的部分电荷变得更阳，氟碳间静电相互作用和离子度增强。

化合物	碳氟键长（埃）	BDE（每摩几千卡）	q_C	q_F
CH₃F	1.385	109.9±1	0.01	−0.23
CH₂F₂	1.357	119.5	0.40	−0.23
CHF₃	1.332	127.5	0.56	−0.21
CF₄	1.319	130.5±3	0.72	−0.18

扭转效应[编辑]

当2粒氟原子是位在邻位（即相邻）的碳原子，如在1,2－二氟乙烷(H₂FCCFH₂)时，扭转构象比反构象更稳定，这是相反于大部分的1,2－二取代乙烷类通常会被预期到和观察到；此现象称为扭转效应(gauche effect) ^[9]。1,2－二氟乙烷，该扭转构象比反构象更稳定，在气相中，更稳定2.4至3.4千焦/摩。这种效果不是指会出现在氟卤素，然而；扭转效应也可以在1,2－二甲氧基乙烷观察到。一个相关的效果是烯烃顺式作用。例如，1,2－二氟乙烯的顺式异构体比反式异构体稳定。^[10]

这里有两个主要影响扭转效应的解释：超共轭和弯曲的键结。在超共轭的模型，从碳－氢σ键轨道到碳－氟σ^*反键轨道的电子密度的捐赠被认为是稳定扭转异构体的来源。由于氟更电负，碳－氢σ轨道比碳氟σ轨道是更好的电子供体，而碳－氟σ^*轨道比碳－氢σ^*轨道为一个更好的电子受体。只有扭转构象允许在更好的供体和受体之间的良好重叠。

在二氟乙烷扭转效应的弯曲键关键解释是，在两个碳－氟键增加p轨域，由于氟的电负性大。其结果是电子密度建立在中央碳－碳键的上方、下方、左侧和右侧。由此此结果可以减少轨道重叠，当一个扭转效应被假设，形成一个弯曲的键。在这两种模式，超共轭通常被认为是二氟乙烷的扭转效应的主因。^[1]^[11]

光谱分析[编辑]

碳－氟键在红外光谱的1000至1360cm⁻¹间伸缩。拉伸频率对分子其他取代基敏感，出现范围很阔。单氟化物在1000和1110cm⁻¹间有强频带；氟原子超过一粒，频带分成两条，一条用于对称模式，一条用于不对称^[12]，碳－氟带非常强，可掩盖任何碳－氢带^[13]。

有机氟化合物也可用碳13、氟19（氟的唯一天然同位素）或氢1（如有）NMR光谱表征。取决于取代度和官能团，氟十九NMR中的化学位移有很阔的范围。下表显示一些主要类别的范围。^[14]

化合物类型	化学位移范围（ppm）（与CFCl₃比较）
F–C=O	−70至−20
CF₃	+40至+80
CF₂	+80至+140
CF	+140至+250
ArF	+80至+170

参见[编辑]

参考文献[编辑]

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